Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Жизнь — не пассивный довесок к нашей планете. Такие процессы, как фотосинтез, дыхание и разложение, оставляют свой след в составе атмосферы. «Галилео» должен был найти нечто такое, что все формы жизни — от разумных существ до микроорганизмов — вырабатывают в количествах, которые позволят обнаружить это либо в атмосфере, либо фиксируя изменения в глобальных характеристиках планеты. Иными словами, целью «Галилео» были биомаркеры.

Анализируя диапазон длин волн, поглощаемых нашей атмосферой при прохождении через нее солнечного света, приборы на «Галилео» смогли определить состав молекул в земной атмосфере, обнаружив четкие признаки наличия в ней двух побочных продуктов жизни — кислорода и метана. Также были найдены следы воды: анализ света, отражаемого поверхностью нашей планеты, показал возможность обнаружения воды в твердой, жидкой и газообразной формах, указывающих на круговорот этого вещества на планете. Кроме того, «Галилео» зафиксировал упорядоченные радиосигналы, свидетельствующие о наличии разумной жизни. А если бы ему не удалось уловить радиосигналы, хватило бы полученных данных для вывода о существовании на планете определенных форм жизни? В 1993 г. коллектив исследователей под руководством американского астронома и популяризатора науки Карла Сагана подготовил статью для журнала Nature, в которой обобщались результаты эксперимента. Саган и его коллеги были весьма осторожны в оценках, заявив, что выявленные Галилео признаки «позволяют высказать обоснованное предположение о наличие жизни на Земле».

Если рассматривать Землю в качестве эталона, может создаться впечатление, что кислород служит идеальным биомаркером. С момента появления 2,5 млрд лет назад цианобактерий наша атмосфера наполнялась кислородом, выделяемым фотосинтезирующими растениями, водорослями и бактериями. Это привело к развитию более сложных — многоклеточных — организмов, которые нуждаются в значительном количестве молекул кислорода. В отсутствие жизни легко вступающий в реакции кислород оказался бы поглощен в процессе окисления богатых железом вод, а также образования углекислого газа и воды из вулканических газов. Доля кислорода в нашей атмосфере, составляющая 21%, поддерживается благодаря тому, что его запасы постоянно пополняются из биологических источников.

Учитывая, что главное внимание при поиске поверхностных форм жизни мы уделяем мирам в зонах умеренных температур, основным источником энергии на них должен быть свет звезды. Кажется логичным допустить, что жизнь на такой планете должна воспользоваться этим источником, а значит, на ней должны развиться способные к фотосинтезу организмы. Несмотря на существование форм фотосинтеза, которые не приводят к образованию кислорода, именно этот газ, по крайней мере на Земле, является главным побочным продуктом этого процесса. Таким образом, можно предположить, что атмосферы обитаемых миров должны быть богаты кислородом.

Загвоздка в том, что жизнь — не единственный источник кислорода. Молекулы воды в атмосфере могут расщепляться на водород и кислород под воздействием ультрафиолетового излучения звезды. При этом легкий водород может покидать планету, как это происходит в скудных атмосферах покрытых льдом спутников Юпитера, обеспечивая высокое содержание кислорода. Интенсивнее всего этот процесс может протекать на планетах, обращающихся вокруг красных карликов, то есть в мирах, которые легче всего изучать в силу близости зоны умеренных температур к тусклой звезде. При отсутствии на планете геологической активности, обеспечивающей выброс газов, которые бы могли вступать в реакцию с кислородом и выводить его из атмосферы, на ней может сформироваться ложный кислородный биомаркер.

Но, если кислород не может служить надежным признаком жизни, почему бы не обратить внимание на метан? Почти весь метан на Земле является продуктом жизнедеятельности микробов, живущих в кишечнике животных, трясинах и болотах, а также участвующих в разложении остатков растений. Чтобы метан сохранялся в нашей атмосфере, запас его, как и запас кислорода, должен постоянно пополняться. В отсутствие постоянного источника запас метана истощится в результате реакции с кислородом, приводящей к образованию воды и углекислого газа, и расщепления под действием звездного ультрафиолета с последующим преобразованием в более сложный этан. Если то количество метана, которое содержится сейчас в атмосфере Земли, не будет пополняться, уже через 10 лет от него ничего не останется. Таким образом, наличие в атмосфере планеты метана должно свидетельствовать о регулярном пополнении его запасов из какого-то источника.

Но есть одна хорошо известная проблема, которая не дает использовать метан в качестве биомаркера, а именно Титан. Несмотря на постоянную потерю метана под воздействием солнечного света, его запасы в атмосфере этого спутника постоянно восполняются за счет высвобождения метана из подповерхностного слоя льда в результате деятельности криовулканов. Благодаря этому метан на Титане не заканчивается вот уже несколько миллиардов лет. На Земле также присутствует несколько источников метана небиологического происхождения, включая вулканы и глубоководные «черные курильщики» — высокотемпературные геотермальные источники. Поэтому в условиях высокой геологической активности в атмосфере мертвого мира может присутствовать метан.

Теоретически мы можем отличить биологические источники метана от абиотических. Молекула метана состоит из атома углерода и четырех атомов водорода. Жизнь на Земле имеет дело главным образом с углеродом-12 — наиболее распространенной формой углерода с шестью нейтронами в ядре. Альтернативой ему является углерод-13, атом которого тяжелее благодаря наличию дополнительного нейтрона и потому требует больше энергии для участия в реакциях. Неорганический материал на Земле содержит в 89,9 раз больше углерода-12, чем углерода-13, тогда как у живой материи этот показатель выше — 95. Разница не так велика, но ее можно обнаружить. Зонд «Гюйгенс» на Титане провел измерение соотношения двух типов углерода в метане, содержащемся в атмосфере спутника, получив значение 82,3, которое намного ближе к величине, характерной для неорганического вещества на Земле. Если бы мы научились различать атомы углерода в метане в атмосфере экзопланет, у нас бы появился маркер, указывающий на возможное присутствие жизни.

В качестве более надежного биомаркера может выступать комбинация молекул. Когда в атмосфере присутствуют и кислород, и метан, они объединяются, образуя углекислый газ. Если наблюдается высокое содержание и того и другого, это означает, что существует источник, обеспечивающий постоянное наполнение атмосферы этими двумя молекулами, не давая ей достигнуть равновесия. Такие комбинированные биомаркеры намного реже имеют абиотическое происхождение, но все-таки полностью исключать такую возможность нельзя. Например, при наблюдении титаноподобный спутник, обращающийся вокруг богатой кислородом планеты, может показаться одиноким миром со смешанной метано-кислородной атмосферой.

В качестве дополнительного признака влияния живых форм на атмосферу могут служить сезонные изменения в ее составе на протяжении планетного года. Когда зима на Земле сменяется весной, биосфера перерождается в результате цветения растений в условиях более теплой погоды. Это оказывает заметное влияние на уровень углекислого газа в нашей атмосфере. Согласно данным измерений, проводимых в обсерватории «Мауна-Лоа» на Гавайях с 1958 г., уровень углекислого газа не только неуклонно повышается в результате глобального изменения климата, но и ежегодно претерпевает изменения в результате смены сезонов.